粗合成纖維混凝土的性能及應用

前言

纖維增強混凝土是以混凝土為基材，以各種纖維為增強相組成的復合材料。纖維從微觀機制上改善了基體材料的性能，彌補了混凝土抗拉強度低、韌性差、極限延性率小等缺點。

在混凝土中摻入細合成纖維是解決混凝土早期開裂的簡單有效方法，然而，細纖維的摻量一般較小，對于硬化混凝土韌性和后期抗裂性的改善很小。工程中常用鋼纖維來提高硬化混凝土的后期開裂性能、韌性及抗沖擊性能，但鋼纖維存在銹蝕問題，且重量較大、造價較高，施工中常有結團現象。目前，粗合成纖維不斷得到發展并引進市場，較細纖維而言，粗合成纖維可采用更高的體積摻量，為混凝土裂后提供承載力。這類纖維與鋼纖維有很多類似的特點，同時又較好地克服了鋼纖維的缺點，在應用中可作為鋼纖維的替代品，有著較廣闊的應用前景。

1.粗合成纖維的特性和在混凝土中的作用

1.1 粗合成纖維的特性 粗合成纖維主要有聚丙烯或聚乙烯所屬聚烯烴、 聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰胺及它們的混合物。粗合成纖維的當量直徑在0.1mm以上，且具有較高的初始模量。粗合成纖維的體積摻量可比細纖維大，最大可達 1.35%（即12kg/m3）。此外，粗合成纖維的比鋼纖維有更好的而酸堿腐蝕性，在分散性、對機械的磨損、運輸及拌合等方面，粗合成纖維也較鋼纖維表現出了更強的優勢。 目前，市場上的粗合成纖維主要為以聚丙烯為主的聚烯烴類材料。通過添加特制改性材料，并且應用多種錨固機制開發的粗合成纖維，可提高纖維粘結性、分散性，由此增強了與混凝土的粘結力和握裹力。

1.2粗合成纖維在混凝土中的作用機理 摻粗合成纖維的混凝土在拉伸荷載或彎曲荷載的 作用下，最初是纖維與混凝土共同承擔外力，使纖維混凝土復合材料呈現彈性變形，一旦混凝土達到其極限抗拉強度值時即產生裂縫（即初裂），混凝土通過它與 纖維的界面將荷載轉遞給纖維，復合材料的承載能力隨變形的繼續增加而有所下降。其承載能力的下降速率主要取決于纖維的體積率、纖維與混凝土的界面粘結強度、纖維長度以及纖維的彈性模量。與細合成纖維比，粗合成纖維體積率高、長度大、彈性模量較高，尤其是纖維與混凝土的界面粘結強度高，能減緩混凝土中裂縫的擴展，并承接混凝土所轉遞的荷載。在繼續受荷過程中，纖維被拉伸至與混凝土的粘結削弱，最后從混凝土中被拔出而導致復合材料破壞。由于粗合成纖維能使混凝土在出現裂縫后仍然具有一定的承載與變形能力、吸收較多的能量，因而可顯著提高混凝土的韌性，并相應提高混凝土的抗沖擊性與延展性。

2. 粗合成纖維對混凝土性能的影響

2.1 粗合成纖維混凝土的工作性能 粗合成纖維比鋼纖維具有更好的和易性和拌和性能，但粗合成纖維在摻量較高的情況下，混凝土的坍落度會有一定程度的下降，其下降程度一般不影響其工作性能，必要時可通過摻加減水劑或增塑劑來保證其坍落度。

2.2粗合成纖維混凝土的強度 粗合成纖維對混凝土的抗壓強度影響不大，當摻量較低時，混凝土的強度在一定范圍內有所提高，提高幅度不超過5%。當纖維摻量超過11kg/m3時，混凝土的抗壓強度開始降低。 粗合成纖維對混凝土的抗折強度提高明顯，當纖維摻量由5kg/m3 增加到11kg/m3 時，抗折強度增長率 由1.6%增加到13.3%。

2.3粗合成纖維混凝土的彎曲韌性 粗合成纖維混凝土的彎曲韌性試驗按照RILEM 標準進行。在彎曲韌性試驗中，試驗梁的尺寸為 150mm×150mm×550mm，跨度500mm，下部有25mm深的開口，使用1000kN液壓伺服試驗機，等速位移控制，跨中位移速率為0.2mm/min，兩側用位移傳感器（LVDT）測定梁的跨中撓度，梁的底部用夾式引伸儀測定裂縫口擴展寬度（CMOD），混凝土試件澆注后28d進行試驗。 圖2為粗合成纖維與鋼纖維混凝土梁的荷載-撓度曲線。

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